Aplicação web para gestão eficiente de horários académicos baseada em algoritmos de otimização

Abstract

A elaboração de horários em Instituições de Ensino Superior constitui uma tarefa de elevada complexidade, exigindo conciliar múltiplas restrições, como a disponibilidade dos docentes, a gestão dos espaços e a otimização dos recursos institucionais. No início de cada ano letivo ou semestre, este processo revela-se particularmente exigente, podendo mesmo acarretar custos adicionais com a contratação de docentes suplementares. Tal situação poderá ser mitigada ao aplicar métodos de otimização que permitam distribuir os docentes de forma mais equilibrada e compatível com os tempos letivos e a sua disponibilidade. O presente projeto tem como objetivo desenvolver uma Aplicação Web para Gestão Eficiente de Horários Académicos Baseada em Algoritmos de Otimização, concebida para apoiar a área académica e as coordenações de curso na elaboração e distribuição de horários de forma mais eficaz. A investigação segue a metodologia Design Science Research (DSR), que orienta a conceção e a aplicação de um artefato tecnológico validado em ciclos iterativos. A estratégia de otimização implementada baseia-se em dois níveis: numa primeira fase, combina-se a aplicação de um algoritmo guloso (greedy) com o uso de um Algoritmo Genético (GA), o que permite gerar soluções iniciais rápidas, funcionais e diversificadas e possibilita ainda a comparação de desempenho em termos de tempo de execução e qualidade obtida. Numa segunda fase, recorre-se ao Simulated Annealing (SA), técnica de Inteligência Artificial inspirada no processo de recozimento físico, que resolve automaticamente conflitos e melhora a qualidade global da solução, evitando ótimos locais. Através da aplicação de diversas ferramentas de software, em articulação com a metodologia DSR e com métodos de Inteligência Artificial, espera-se desenvolver uma aplicação web robusta e inteligente, capaz de responder às reais necessidades das instituições académicas, reduzir custos operacionais e aumentar a eficiência no processo de gestão de horários.

Preparing timetables in Higher Education Institutions is a highly complex task, requiring the conciliation of multiple restrictions, such as the availability of teachers, space management and the optimization of institutional resources. At the beginning of each academic year or semester, this process proves to be particularly demanding, and may even entail additional costs with the hiring of additional teachers. This situation can be mitigated by applying optimization methods that allow teachers to be distributed in a more balanced way and compatible with teaching times and availability. This project aims to develop a Web Application for Efficient Management of Academic Timetables, designed to support the academic area and course coordinators in preparing and distributing timetables more effectively. The investigation follows the Design Science Research (DSR) methodology, which guides the conception and application of a technological artifact validated in iterative cycles. The optimization strategy is based on two levels: in the first phase, the application of a greedy algorithm is combined with the use of a Genetic Algorithm (GA), allowing the generation of quick, functional and varied initial solutions, also enabling the comparison of performance in terms of execution time and quality obtained. In a second phase, Simulated Annealing (SA) is used, an Artificial Intelligence technique inspired by the physical annealing process, which automatically resolves conflicts and improves the global quality of the solution, avoiding local optima. Through the application of various software tools, in conjunction with the DSR methodology and Artificial Intelligence methods, it is expected to develop a robust and intelligent web application, capable of responding to the real needs of academic institutions, reducing operational costs and increasing efficiency in the timetable management process.